光纖通信 第九章

第九章波分復用技術9.1多信道復用技術9.2光波分復用原理9.3光波分復用技術9.4光波分復用器9.5WDM光傳送網9.6WDM系統(tǒng)設計本章內容9.1多信道復用技術光放大與色散補償技術解決了傳輸距離問題，但還需要解決光波承載信息容量問題，這就要求我們研究多信道復用技術。解決這個問題有許多方案，可以從光信號和光波兩個方面來考慮，主要有光時分復用(OTDM)技術、光碼分復用(OCDM)技術、副載波復用(SCM)技術、波分復用(WDM)技術等。1.光時分復用(OTDM)技術光時分復用是指將多個通道的低速率數(shù)字信息以時間分割的方式插入到同一個物理信道（光纖）中，復用之后的數(shù)字信息成為高速率的數(shù)字流。光時分復用與電時分復用不同，光時分復用的電數(shù)字信號還是低速率的數(shù)字流，但是復用的光信號是高速率的數(shù)字流，這樣就繞開了高速電子器件和半導體激光器直接調制能力的限制；而電時分復用是低速率的電數(shù)字信號直接復用成高速率的電數(shù)字信號。光時分復用可分為比特間插OTDM和分組間插OTDM兩種方法。1）比特間插OTDM比特間插OTDM的原理見圖9-1-1。在比特間插OTDM幀中，每個時隙對應一個待復用的支路信息(一個比特)，同時有一個幀脈沖信息，形成高速的OTDM信號，主要用于電路交換業(yè)務。2）分組間插OTDM分組間插OTDM的原理見圖9-1-2。分組間插OTDM幀中每個時隙對應一個待復用支路的分組信息(若干個比特區(qū))，幀脈沖作為不同分組的界限，主要用于分組交換業(yè)務。2.光碼分復用(OCDM)技術光碼分復用(OCDM)通信是將碼分多址通信技術與大容量光纖通信技術相結合的一種通信方式，它是在OCDM通信系統(tǒng)中，每個用戶都擁有一個唯一的地址碼。在進行數(shù)據(jù)信息的傳輸時，首先用該地址碼數(shù)據(jù)信息進行光調制，同樣，在接收端用與發(fā)射端相同的址碼進行光解碼，從而實現(xiàn)用戶間的通信。在OCDM中，一般只能用光強度作為調制信息，即相當于(0,1)單極性碼。OCDM系統(tǒng)的地址碼主要有光正交碼、素數(shù)碼、二次同余碼及混合碼等。下面簡單介紹光正交碼，一個正交碼C是一串{0,1}序列碼，可表示為（n，ω，λa，λc），其中n是碼長也稱為擴頻系數(shù)，ω是碼重(碼中1的個數(shù))，λa是自相關限，為任意一個碼字自相關的最大側峰值，λc是互相關限，為任意兩個不同碼字之間的互相關的最大值。如一個光正交碼C為(10，3，1，1)，則碼長為10，碼重為3，λa=λc=1。x是C中的一個碼字，其碼中三個“1”出現(xiàn)在0，4，7位置上，即編碼為（1，0，0，0，1，0，0，1，0，0），可以用碼字區(qū)組簡單表示為(0，4，7)。如圖9-1-3所示，當對信息比特進行編碼時，就要將每一比特轉換為該碼字OCDM的優(yōu)點

在解碼過程中，不需要獲得各chip的同步信息，只要解碼器是編碼器的時域反演即可將編碼信號正確解碼，這相對于OTDM方式大大簡化；保密性很好，數(shù)據(jù)只能由一個特有的解碼序列來恢復，該密匙可以始終保密，如果沒有解碼器,，有信道的頻譜是重疊的，無法解復用；抗干擾信號的頻譜非常寬，以至窄帶噪聲和干擾信號對數(shù)據(jù)的傳輸和恢復沒有明顯的影響。3．副載波復用(SCM)副載波復用（SCM）的概念源于微波頻分復用通信技術，它利用光纖在光載波上傳輸多信道微波信號。如圖9-1-5所示在副載波復用技術中，包含兩次調制，第一次是電調制，即將多個基帶信號分別調制到具有不同的微波頻率的電載波上；然后再進行光調制，即將這些經頻分復用的群信號調制到光載波，從而形成光信號，使之進入光纖。同樣在接收端先進行光解調，再進行電解調，恢復為原各路基帶信號。由于通常稱電載波為副載波，因此該復用方式簡稱為副載波復用方式。9.2光波分復用原理1.OWDM原理波分復用（OWDM）是在一根光纖中同時傳輸兩種或多種不同波長的光波信號，WDM原理如圖9-2-1所示。

n個光發(fā)送機發(fā)送出由不同波長λ1，λ2，…λn承載的光信號，通過光復用器耦合到同一根單模光纖中，經過光纖傳輸?shù)竭_接收端后，由解復用器將不同波長信號在空間上分開，分別進入各自的光接收機。對于長途通信，還需要在傳輸光纖中加入中繼器或光放大器，以補償光信號的損耗。最初的WDM系統(tǒng)為1310/1550nm兩波長系統(tǒng)，它是利用光纖的兩個低損耗窗口1310nm和1550nm各傳送一路光波信號的系統(tǒng)，主要用于對原來1310nm系統(tǒng)進行擴容，兩個波長之間的間隔達兩百多納米，通常稱為粗波分復用（CWDM）系統(tǒng)。目前的WDM系統(tǒng)復用的波數(shù)很多，而通道間隔則更小，只有0.8~2nm，甚至小于0.8nm，因此這樣的系統(tǒng)習慣上稱為密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)。

DWDM系統(tǒng)廣泛用于長途通信，然而隨著技術的發(fā)展，用戶需求的提高，現(xiàn)在也越來越多地將其應用到城域網和接入網之中。2.WDM系統(tǒng)的特點WDM系統(tǒng)具有以下的主要特點：(1)充分利用光纖的巨大帶寬資源(2)同時傳輸多種不同類型的信號(3)節(jié)約線路投資(4)多種應用形式(5)降低器件的超高速要求(6)高度的組網靈活性、經濟性和可靠性3.WDM技術的應用形式WDM技術從傳輸方向分：單纖雙向結構雙纖單向結構如圖9-2-2所示。圖(a)為雙向結構，它是采用兩根光纖，每根光纖中所有波長的信號都在同一方向上傳播。圖(b)為雙向結構，系統(tǒng)則只用一根光纖，多個波長的信號可以在兩個方向上同時傳播。9.3光波分復用技術1.WDM系統(tǒng)的結構WDM系統(tǒng)是由光發(fā)射機、光接收機、光中繼器和光監(jiān)控與管理系統(tǒng)構成，如圖9-3-1所示為雙向結構中其中一條單向傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)總體結構示意圖。2.光波長區(qū)的分配WDM系統(tǒng)的光發(fā)射機首先要解決光信號分割問題，如圖9-3-2所示，光信號是按照頻率分割的，各通道的波長是固定分配的。WDM系統(tǒng)的技術規(guī)范包括：

1)絕對參考頻率(AFR)和信道間隔絕對參考頻率是為維持光信號頻率的精度和穩(wěn)定度而規(guī)范的特定頻率參考。AFR的應用包括：WDM測試設備的校準、為制作和校準WDM器件提供參考頻率、直接為多信道系統(tǒng)提供基準頻率、控制和維持光源的工作波長。ITU-T建議G.692文件，在考慮了各國的頻率標準和國際度量衡委員會(CIPM)的相關建議的基礎上，確定WDM系統(tǒng)的絕對參考頻率規(guī)范為193.10THz。關于信道間隔，G.692文件規(guī)范WDM的信道間隔為25GHz的整數(shù)信，目前優(yōu)先選用的是100GHz和50GHz信道間隔。G.652或G.655光纖系統(tǒng)是均勻間隔。G.653光纖采用非均勻間隔來抑制四波混頻效應。2)標準中心頻率和偏差為了保證不同WDM系統(tǒng)之間的橫向兼容性，必須對各個通路的中心頻率進行規(guī)范，所謂標稱中心頻率指的是光波分復用系統(tǒng)中每個通路對應的中心波長。標準中心頻率見表9-3-1，表中列出了在1528～1561nm之間，以50GHz及100GHz或以上為通路間隔。標準中心頻率（50GHz間隔）/THz標準中心頻率（100GHz間隔）/THz標準中心波長(nm)標準中心頻率（50GHz間隔）/THz標準中心頻率（100GHz間隔）/THz標準中心波長(nm)196.10196.101528.77194.10194.101544.53196.05

1529.16194.05

1544.92196.00196.001529.55194.00194.001545.32195.95

1529.94193.95

1545.72195.90195.901530.33193.90193.901546.12195.85

1530.72193.85

1546.52195.80195.801531.12193.80193.801546.92195.75

1531.51193.75

1547.32195.70195.701531.90193.70193.701547.72195.65

1532.29193.65

1548.11195.60195.601532.68193.60193.601548.51195.55

1533.07193.55

1548.91195.50195.501533.47193.50193.501549.32195.45

1533.86193.45

1549.72195.40195.401534.25193.40193.401550.12195.35

1534.64193.35

1550.52195.30195.301535.04193.30193.301550.92195.25

1535.43193.25

1551.32195.20195.201534.82193.20193.201551.72195.15

1536.22193.15

1552.12195.10195.101536.61193.10193.101552.52表9-3-1標準中心頻率標準中心頻率（50GHz間隔）/THz標準中心頻率（100GHz間隔）/THz標準中心波長(nm)標準中心頻率（50GHz間隔）/THz標準中心頻率（100GHz間隔）/THz標準中心波長(nm)195.05

1537.00193.05

1552.93195.00195.001537.40193.00193.001553.33194.95

1537.79192.95

1553.73194.90194.901538.19192.90192.901554.13194.85

1538.58192.85

1554.54194.80194.801538.98192.80192.801554.94194.75

1539.37192.75

1555.34194.70194.701539.77192.70192.701555.75194.65

1540.16192.65

1556.15194.60194.601540.56192.60192.601556.55194.55

1540.95192.55

1556.96194.50194.501541.35192.50192.501557.36194.45

1541.75192.45

1557.77194.40194.401542.14192.40192.401558.17194.35

1542.54192.35

1558.58194.30194.301542.94192.30192.301558.98194.25

1543.33192.25

1559.39194.20194.201543.73192.20192.201559.79194.15

1544.13192.15

1560.20

192.10192.101560.61中心頻率偏差中心頻率偏差定義為標稱中心頻率與實際中心頻率之差。由于16通路WDM系統(tǒng)的通道間隔為100GHz，最大中心頻率偏移為±20GHz(約為0.16nm)。對于8通路WDM系統(tǒng)，采用均勻間隔200GHz(約為1.6nm)作為通路間隔，而且為了未來向16通路系統(tǒng)升級，規(guī)定對應的最大中心頻率偏差為±20GHz(約為0.16nm)。3.光轉發(fā)器技術WDM光的發(fā)射是采用光轉發(fā)器（OUT）技術，OUT是WDM的關鍵技術之一。開放式WDM系統(tǒng)在發(fā)送端采用OTU將非標準的波長轉換為標準波長，圖9-3-3是一個OTU的示意圖，該器件的主要作用在于把非標準的波長轉換為ITU-T所規(guī)范的標準波長，以滿足系統(tǒng)的波長兼容性

4.可調光濾波接收技術WDM系統(tǒng)的光接收端均使用了波長可調的光濾波器，光濾波器也稱為波長選擇器。其作用是在接收端于接收器前從多信道復用的光信號中選擇出一定波長的信號，以供接收機進行接收。

波長選擇器有:(1)F-P光腔型;(2)介質膜干涉型;(3)光柵型(4)波導型

通常使用法布－珀羅(F－P)干涉儀作為光濾波器，其多諧振峰的傳輸特性如圖9-3-5所示。

圖9-3-6為電可調液晶光濾波器的結構圖，其基本原理是用外加直流電場改變液晶分子的取向，從而改變腔中填充材料的折射率來實現(xiàn)諧振頻率的微調。兩側的透光材料鏡面涂覆夾著液晶腔構成光學諧振腔。

圖9-3-7是另一種光波長選擇器，為角度可調F-P腔式濾波器?；驹茄b在一個可旋轉支架上的F-P標準具(即F-P諧振腔)，通過轉動支架改變FP諧振腔的激光束的入射角來調整諧振波長。9.4光波分復用器光波分復用器是實現(xiàn)不同的光信號合波和分波的器件。光波分復用器分為發(fā)端的合波器和收端的分波器。合波器又稱復用器，其功能是將滿足G.692規(guī)范的多個單通路光信號合成為一路合波信號，然后耦合進同一根光纖傳輸。分波器又稱解復用器，它的作用是在收端將一根光纖傳輸?shù)暮喜ㄐ盘栐龠€原成單路波長光信號，然后分別耦合進不同的光纖。光波分復用器是WDM系統(tǒng)的關鍵器件。

光波分復用器的種類很多。應用不同的領域，WDM器件的技術要求和制造方法都不相同，大致可分為：熔錐光纖型介質膜干涉型光柵型波導型1.熔維光纖型這是最早使用的一種波分復用器。熔錐型波分復用器的原理有人用瞬逝波理論描述。當兩根單模光纖的纖芯充分靠近時，單模光纖中的兩個基模(LP01橫電橫磁混合模)會通過瞬逝波產生相互耦合，在一定的耦合系數(shù)和耦合長度下，便可以造成不同波長成分的波道分離，而實現(xiàn)分波效果。

熔錐光纖波分復用器的制作與結構參見圖9-4-1，圖9-4-1(a)為熔錐型波分復用器制作裝置的示意圖，圖中的夾具一方面是使兩根光纖預先靠緊，同時又起控制光纖耦合距離的作用，合適的耦合系數(shù)則直接由通光監(jiān)測來控制。圖9-4-1(b)為成品的示意圖。熔錐光纖波分復用器具有可逆性，因此也能用于分波。利用熔錐技術很容易制成1310nm/1550nm、1480nm/1550nm、980nm/1550nm等二波長WDM器件，而且被廣泛采用，它的最大優(yōu)點是插入損耗非常低，可小于0.1dB。2.介質膜干涉型介質膜干涉型波分復用器的基本單元由玻璃襯底上交替地鍍上折射率不同的兩種光學薄膜制成，它實際上就是光學儀器中廣范應用的增透膜，如圖9-4-2所示。3.光柵型光波分復用器所謂光柵是指在一塊能夠透射或反射的平面上刻劃平行且等距的槽痕，形成許多具有相同間隔的狹縫。當含有多波長的光信號在通過光柵時產生衍射，不同波長成分的光信號將以不同的角度出射，因此，該器件與棱鏡的作用一樣，均屬角色散型器件。用于WDM中的主要是閃耀光柵，它的刻槽具有一定的形狀，如圖9-4-4中所示的小階梯，當光纖陣列中某根輸入光纖中的光信號經透鏡準直后，以平行光束射向閃耀光柵。由于光柵的衍射作用，不同波長的光信號以方向略有差異的各種平行光束返回透鏡傳輸，再經透鏡聚焦后，以一定規(guī)律分別注入輸出光纖之中。在圖9-4-4中的透鏡一般采用體積較小的自聚焦透鏡，見圖9-4-5。若將光柵直接刻制在透鏡端面，則可使器件結構更加緊湊，穩(wěn)定性大大提高。所謂自聚焦透鏡是一種具有漸變折射率分布的光纖，由于它對光線具有會聚作用，因而具有透鏡的性質。如果截取1/4的長度并將端面研磨拋光，即形成了自聚焦透鏡，可實現(xiàn)準直或聚焦。自聚焦透鏡常用S或GRIN表示。4.陣列波導光柵(AWG)型光波分復用器波導陣列型光柵(ArrayedWaveguideGrating，AWG)器件的結構如圖9-4-7所示。由輸入輸出波導群、兩個盤形波導及AWG一起集成在襯底上而構成。各波導路徑長度差所產生的效應與閃耀光柵溝槽作用相當，從而起到“光柵”之用，輸入和輸出端通過扇形波導與AWG相連。當某根輸入光纖中含有多波長信號時，則在輸出端的各光纖中分別具有相關波長的光信號。這種結構可實現(xiàn)數(shù)十個乃至上百個波長的復用與解復用，其原因是利用了N×N矩陣形式，即在N個不同波長上可同時傳輸N×N路光信號。AWG型光波分復用器具有波長間隔小、信道數(shù)多、通帶平坦等優(yōu)點，非常適合超高速、大容量WDM系統(tǒng)使用，因此已成為目前研制、開發(fā)與應用的重點。9.5WDM光傳送網

1.WDM光傳送網與通信網的關系從圖中可以看出，最下層就是光傳送層。最上層是業(yè)務層，各種不同業(yè)務網絡提供不同的業(yè)務信號，如視頻、音頻和數(shù)據(jù)信號，業(yè)務層直接為電交換/復用層提供服務內容，最后要通過光傳送/網絡層在光域上進行信號傳輸。可見各層之間的關系與SDH傳送網是相同的，即下層為上層提供支持手段，上層為下層提供服務內容。2.WDM光傳送網分層結構按照G.805建議的規(guī)定，從垂直方向上光傳送網分為光通道(OCH)層、光復用段(OMS)層和光傳輸段(OTS)層三個獨立層網絡，它們之間的關系如圖9-5-2所示。3.WDM網絡的關鍵設備1）光分插復用器(OADM)OAMD的主要功能包括：波長上、下話路的功能、具有波長轉換功能、具有光中繼放大和功率平衡功能、提供復用段和通道保護倒換功能、具有多業(yè)務接入功能等。分插復用單元是OADM的基本功能單元，其構成方案有很多，歸納起來主要有以下四種形式：分波器、空間交換單元和合波器組成的OADM；耦合單元、濾波單元和合波器構成的OADM；電聲光可調濾波器耦合單元、濾波單元和合波器構成的OADM波長光柵路由器（WGR）構成的OADM。下面簡單介紹分波器、空間交換單元和合波器組成的OADM。圖9-5-4為基于分波器、空間交換單元和合波器組成的OADM結構示意圖。2）光數(shù)字交叉連接器（OXC）

OXC是一種光網絡節(jié)點設備，它可在光層上進行交叉連接和靈活的上下話路操作，同時還提供網絡監(jiān)控和管理功能，它是實現(xiàn)可靠地網絡保護與恢復以及自動配線和監(jiān)控的重要手段。OXC的主要功能是可以在光纖和波長兩個層面上為網絡提供帶寬管理，如動態(tài)重構光網絡、提供光信道的交叉連接以及本地上下話路操作、動態(tài)調節(jié)各個光纖中的流量分布等。同時在出現(xiàn)斷纖故障時，OXC還能提供1+1光復用段保護，即使用其中的光開關將原主用信道中所傳輸?shù)男盘柕箵Q到備用信道上，而當故障排除之后再倒換回主用信道，從而實現(xiàn)網絡保護與恢復功能。如果在出現(xiàn)故障線路的兩個節(jié)點之間啟用波長轉換，那么可通過波長路由重新選擇功能來實現(xiàn)更復雜的網絡恢復。9.6WDM系統(tǒng)設計

WDM系統(tǒng)的性能，除了插入損耗和分配損耗以及噪聲等影響因素之外，最大的影響因素是信道串擾，常分為：1)線性串擾2)非線性串擾四波混頻現(xiàn)象

四波混頻(FourWaveMixing，F(xiàn)WM)是指兩個以上不同波長的光信號在光纖的非線性影響下，除了原始的波長信號外還會產生許多原始波長之外的混合成分(或叫邊帶)。圖9-6-1為兩個波長f1和f2的四波混頻，從圖上可以清楚地看到由于四波混頻產生了兩個新的頻率2f1-f2和2f2–f1，N個原始波長信號頻率四波混頻將會產生更多個額外的波長信號。四波混頻邊帶的出現(xiàn)會導致信號功率的大量耗散。當各通路按相等的間隔分開時混頻產物直接落到信號通路上，則會引起信號脈沖幅度的衰減，致使接收器輸出的眼圖開啟程度減小，于是誤碼性能降低。1.復用路數(shù)與波長范圍的選擇原則上講，WDM系統(tǒng)允許的復用路數(shù)越多，通信成本就越低。WDM系統(tǒng)的最大復用路數(shù)取決于兩個因素：信道最大可利用帶寬和最小信道間隔。信道最大可利用帶寬受制于光放大器的平坦增益帶寬。我們這里講的平坦增益帶寬是指增益波動不超過1dB的波長范圍。目前WDM系統(tǒng)中實用的光放大器是EDFA。典型的EDFA(高摻鋁)增益譜線如圖9-6-2所示。EDFA的最大可利用帶寬要分成兩種情況：①20nm帶寬，即1540～1560nm范圍，無須進行通帶平坦化處理。②32nm，即1528.77～1560.61nm范圍，需要進行通帶平坦化處理。如上所述給出表9-6-1，供設計時參考。表中加*是現(xiàn)在的ITU-T文件沒有這樣